传感理论基础

1、第二章第二章 传感理论基础传感理论基础v2.1 2.1 信息获取与信息感知信息获取与信息感知v2.2 2.2 自然规律与传感器自然规律与传感器v2.3 2.3 传感器的基础效应传感器的基础效应v2.4 2.4 传感器的新型敏感材料传感器的新型敏感材料 v2.5 2.5 弹性敏感元件弹性敏感元件 2.1 2.1 信息获取与信息感知信息获取与信息感知2.1.1 信息获取信息获取2.1.2 传感器涉及的基础理论传感器涉及的基础理论 1信息获取的基本概念信息获取的基本概念 什么是信息什么是信息 人类获取信息的方法人类获取信息的方法 信息理论概述信息理论概述2传感器的任务是信息感知传感器的任务是信息感知

2、 传感器的基本任务传感器的基本任务传感器是获取信息的工具传感器是获取信息的工具传感器应该满足一些必需的条件传感器应该满足一些必需的条件 2.1.2 2.1.2 传感器涉及的基础理论传感器涉及的基础理论 1传感技术正在成为多学科交汇点传感技术正在成为多学科交汇点 2. 自然规律是传感技术的理论依据自然规律是传感技术的理论依据l自然界普遍适用的自然规律；自然界普遍适用的自然规律；l物质相互作用的效应原理；物质相互作用的效应原理；l实现效应的功能材料；实现效应的功能材料；l相关技术学科的前沿技术。相关技术学科的前沿技术。3传感理论基础传感理论基础3 3 传感理论基础传感理论基础 自然界普遍适用的自然

3、规律自然界普遍适用的自然规律 物质相互作用的效应原理及功能材料物质相互作用的效应原理及功能材料 物质相互作用的效应原理及功能材料物质相互作用的效应原理及功能材料 信息论、系统论与控制论信息论、系统论与控制论 非线性科学理论非线性科学理论 相关学科的定理、方法及其最新成果相关学科的定理、方法及其最新成果 2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 2.2.3 2.2.3 物质定律物质定律 2.2.4 2.2.4 统计物理学法则统计物理学法则 2.2 2.2 自然规律与传感器自然规律与传感器2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 v伯努利方程伯努利方程（关

4、于密封管路中无粘性流体流动的能量守恒定（关于密封管路中无粘性流体流动的能量守恒定律）：流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压律）：流体在忽略粘性损失的流动中，流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。力势能、动能与位势能之和保持不变。2.2 自然规律与传感器自然规律与传感器 2.2.1 2.2.1 守恒定律守恒定律 v皮托管：皮托管：1732年由法国工程师皮托首创，至今仍是测量流速年由法国工程师皮托首创，至今仍是测量流速的常用仪器。皮托管是用来测量运动流体内任一点流速的仪的常用仪器。皮托管是用来测量运动流体内任一点流速的仪器。器。02ppv2.2.2 2.2.2 场的定律场的

5、定律 v法拉第首先提出了磁力线、电力线的概法拉第首先提出了磁力线、电力线的概念，在电磁感应、电化学、静电感应的念，在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想，研究中进一步深化和发展了力线思想，并第一次提出场的思想，建立了电场、并第一次提出场的思想，建立了电场、磁场的概念。磁场的概念。Michael Faraday（17911867）v其后，经典电磁场论（麦克斯韦、赫兹）其后，经典电磁场论（麦克斯韦、赫兹）得到确立。在经典电磁学的建立与发展过得到确立。在经典电磁学的建立与发展过程中，形成了电磁场的概念。程中，形成了电磁场的概念。2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 v所谓

6、所谓物理场物理场是指某一空间范围及其各种事物分布状况的是指某一空间范围及其各种事物分布状况的总称。总称。v场的定律场的定律，都是关于物质作用的客观规律。这些规律所，都是关于物质作用的客观规律。这些规律所揭示的是物体在空间排列和分布状态与某一时刻的作用揭示的是物体在空间排列和分布状态与某一时刻的作用有关的客观规律，一般可用物理方程给出。这些方程就有关的客观规律，一般可用物理方程给出。这些方程就是某些传感器工作的数学模型，而与这些定律有关的参是某些传感器工作的数学模型，而与这些定律有关的参数通常与具体物质的内部结构（如成分、材料）无关，数通常与具体物质的内部结构（如成分、材料）无关，与物质在空间的

7、位置及分布状态与某时刻的作用有关。与物质在空间的位置及分布状态与某时刻的作用有关。2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 v电磁感应定律电磁感应定律指出：导体回路中感应电动势的大小与穿过回指出：导体回路中感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比。路的磁通量的变化率成正比。v当线圈以速度当线圈以速度v垂直于磁场运动时，由于切割磁力线，在线垂直于磁场运动时，由于切割磁力线，在线圈中产生与运动速度成正比的感应电动势圈中产生与运动速度成正比的感应电动势：v自感式传感器、互感式传感器、感应同步器自感式传感器、互感式传感器、感应同步器和和电涡流式传感电涡流式传感器器等等，可用来测量位移、运动速度

8、、振动等多种物理量。，可用来测量位移、运动速度、振动等多种物理量。 NvlBdtdK2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 v利用静电场的有关定律制成利用静电场的有关定律制成电容传感器电容传感器。静电场中两平行电。静电场中两平行电极板间的电容量极板间的电容量C为：为：v两极板相对移动两极板相对移动时，时，C的变化量：的变化量：sC CC2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 v波波是场的一种运动形态，是场的一种运动形态，光波光波是一种广泛存在的电磁波。是一种广泛存在的电磁波。v利用光电磁场的基本定律，如光的直线传播定律、光波之间利用光电磁场的基本定律，如光的直线传播定律、光波之间的相互作用

9、，如光的干涉、衍射、偏振现象、光的多普勒效的相互作用，如光的干涉、衍射、偏振现象、光的多普勒效应等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光栅、光码盘等应等，可以制成影像、干涉、衍射、偏振、光栅、光码盘等各式各样的传感器和测量装置。各式各样的传感器和测量装置。2.2.2 2.2.2 场的定律场的定律 v利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，利用场的定律构成的传感器，其性能由定律决定，与使用材料无关与使用材料无关。v这类传感器的形状、尺寸等参数决定了传感器的量这类传感器的形状、尺寸等参数决定了传感器的量程、灵敏度等性能，因此这类传感器统称为结构型程、灵敏度等性能，因此这类传感器统称为结构型传感器

10、。传感器。v它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小它们具有设计的自由度较大、选择材料的限制较小等优点，但体积一般较大，并且不易集成。等优点，但体积一般较大，并且不易集成。2.2.3 2.2.3 物质定律物质定律 v物质定律是指各种物质本身内在性质的定律、法则、规律等。物质定律是指各种物质本身内在性质的定律、法则、规律等。它们通常以固有的物理常数加以描述。如胡克定律，欧姆定它们通常以固有的物理常数加以描述。如胡克定律，欧姆定律等。这些定律都含有物质所固有的常数，即定律是定义各律等。这些定律都含有物质所固有的常数，即定律是定义各种物理常数的公式。种物理常数的公式。v利用各种物质定律构成的传感

11、器统称为利用各种物质定律构成的传感器统称为物性型传感器物性型传感器。这些。这些传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、传感器的主要性能在很大程度上受相应的物理常数或化学、生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关。生物特性所决定，也即与物质的材料密切相关。 2.2.3 2.2.3 物质定律物质定律 v利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效利用半导体物质具有的压阻、热阻、光阻、湿阻和霍尔等效应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传应，可以分别制成力、压力、温度、光强、湿度和磁场等传感器；感器； v利用压电材料所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和利用压电材料

12、所具有的压电效应可制成压电式、声表面波和超声波等传感器；超声波等传感器； v利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。利用生物、化学敏感特性制成的生物、化学传感器等。 霍尔（霍尔（Hall）效应）效应v当电流垂直于外磁场的方向通过导体或半导体薄片时，在薄当电流垂直于外磁场的方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称为霍尔效应。称为霍尔效应。 BIdRVsHHnerRH1NUHR1R2R1R2U01霍尔效应检测直流电流霍尔效应检测直流电流IK11121 KB1BIKUHHHHHURRURRU

13、12120)(KIIIRRKKKUHH12210I1U1U2BPTPIUBUBUUHcos)cos(1122霍尔效应测量功率霍尔效应测量功率2.2.3 2.2.3 物质定律物质定律 v由于利用物质定律的物性型传感器具有构造简单、体积小、由于利用物质定律的物性型传感器具有构造简单、体积小、无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等特点，无可动部件、反应快、灵敏度高、稳定性好、易集成等特点，因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。因此是当代传感技术领域中具有广阔发展前景的传感器。v与物质所固有的物理常数有关的各种现象可分为三大类：与物质所固有的物理常数有关的各种现象可分为三大类：热

14、热平衡现象平衡现象、传输现象传输现象和和量子现象量子现象。 一、热平衡现象一、热平衡现象 v一个系统在没有外界影响的条件下，即外界对系统既不作功，一个系统在没有外界影响的条件下，即外界对系统既不作功，又不传热的情况下，系统各个部分之间的能量以热量的形式又不传热的情况下，系统各个部分之间的能量以热量的形式而不是以功的形式进行交换，经过一定的时间后，系统各部而不是以功的形式进行交换，经过一定的时间后，系统各部分将达到一种宏观性质不随时间变化的状态，这种现象就称分将达到一种宏观性质不随时间变化的状态，这种现象就称为为热平衡热平衡。 一、热平衡现象一、热平衡现象 描述热平衡状态系统的物理量称为状态量。

15、如果把这个系描述热平衡状态系统的物理量称为状态量。如果把这个系统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：统分割成若干个小系统，则状态量可分为两种：v与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量。与分割方法无关，其性质由其量的大小来决定的状态量。称为称为强度型状态量强度型状态量，简称简称示强变量示强变量。如温度、压力、电场强度、。如温度、压力、电场强度、磁场强度。磁场强度。v具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，具有与系统的大小（体积、面积等）成正比性质的状态量，称为称为容量型状态量容量型状态量，简称简称示容变量示容变量，又叫又叫容量量容量量或或广延量广延量。如。如能量、熵、位

16、移等。能量、熵、位移等。1. 1. 麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式 v设示容变量为设示容变量为xi，对应的示强变量为对应的示强变量为Xi，则能量为：则能量为： v当若干个当若干个xi有微小的变化，则系统能量变化为：有微小的变化，则系统能量变化为：vxj表示除表示除xi外的容量状态量保持固定条件，某个强度量对应外的容量状态量保持固定条件，某个强度量对应容量状态量的关系。容量状态量的关系。xXiiUiidxXdUxjiixUX)/(1. 1. 麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式v根据热力学原理（热力学第一定律）：系统由能量根据热力学原理（热力学第一定律）：系统由能量U的平衡的平衡状态变化到的状态变化到的U

17、+dU平衡状态时，其变化与所取得微分途径平衡状态时，其变化与所取得微分途径无关。无关。xkijxkjixxUxxU)()(22xjiixUX)/(xkjixkjixXxxU)()(2xkijxkijxXxxU)()(2xkijxkjixXxX)()(v同理：如果有若干个示强变量发生微小变化，使系统能量变同理：如果有若干个示强变量发生微小变化，使系统能量变化时，但系统在能量变化前和变化后均处于热平衡状态，则化时，但系统在能量变化前和变化后均处于热平衡状态，则麦克斯韦关系式可写成：麦克斯韦关系式可写成：vk表示除表示除Xi，Xj以外的强度量保持固定不变。以外的强度量保持固定不变。v因为示强变量易测

18、量，大小也易调整（温度、压力、磁场强因为示强变量易测量，大小也易调整（温度、压力、磁场强度等），所以实践中通常以示强变量作为独立变量予以测量。度等），所以实践中通常以示强变量作为独立变量予以测量。 kijkjiXxXx)()(kijkjixxXX)()(1. 1. 麦克斯韦关系式麦克斯韦关系式2.2.热平衡一次效应热平衡一次效应v麦克斯韦麦克斯韦关系式说明关系式说明不同种类不同种类能量所对应的强度型状态量与能量所对应的强度型状态量与容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效容量型状态（或相反）微分之比为定值，具有这种关系的效应称为应称为热平衡一次效应热平衡一次效应。一次效应是一次效应

19、是可逆可逆的。的。xkijxkjixXxX)()(kijkjiXxXx)()(2. 2. 热平衡一次效应：热平衡一次效应：压电效应压电效应v当某些电介质沿一定方向受外力作用时，在其一定的两个表当某些电介质沿一定方向受外力作用时，在其一定的两个表面上产生异号电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。面上产生异号电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态。v其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于受力方向，即其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于受力方向，即变形是压缩还是伸长；比例系数为压电常数，它与形变方向变形是压缩还是伸长；比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料的确定方向上为常量。有关

20、，固定材料的确定方向上为常量。 正压电效应正压电效应 v当对压电材料施以外力（压力）时，材料体内的电偶极矩会当对压电材料施以外力（压力）时，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这一变化会在材料表面因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这一变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状。产生正负电荷，以保持原状。逆压电效应逆压电效应 v当在电介质的极化方向施加电场，当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失。撤去后，变形或应力也随之消失。v其应变的大小与电场强度的大

21、小成其应变的大小与电场强度的大小成 正比，方向随电场方向变化而变化。正比，方向随电场方向变化而变化。v当对压电材料表面电场（电压），因电场作用时材料体内的当对压电材料表面电场（电压），因电场作用时材料体内的电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗这一变化会沿电场方向电偶极矩会被拉长，压电材料为抵抗这一变化会沿电场方向拉伸。拉伸。2. 2. 热平衡一次效应热平衡一次效应v机械能（输入）：力机械能（输入）：力F F强度型状态强度型状态 V V0 0引起变形体积变化引起变形体积变化v电能（输出）：电能（输出）： 电荷电荷Q Q容量型状态量容量型状态量 电场强度电场强度E E强度型状态量强度型状态量v其中：其

22、中： F F、E E为不同种类强度量；为不同种类强度量； V V0 0、Q Q为不同种类的容为不同种类的容量量。量量。v根据麦氏关系式：根据麦氏关系式：dEFQV0v利用利用压磁元件压磁元件测量力时，在外力测量力时，在外力F F作用下，压磁元件材料发作用下，压磁元件材料发生形变，体积随之变化生形变，体积随之变化V0V0，产生应力，使其磁导率，产生应力，使其磁导率改变，改变，从而引起磁感应强度从而引起磁感应强度B B的变化；的变化；v而当压磁元件置于磁场强度为而当压磁元件置于磁场强度为H H的磁场中，则其产生机械变的磁场中，则其产生机械变形形V0V0，因此：，因此： FHV/02. 2. 热平衡

23、一次效应热平衡一次效应3. 3. 热平衡二次效应热平衡二次效应v同一种类同一种类能量的强度型状态量与容量型状态量微分之比，或能量的强度型状态量与容量型状态量微分之比，或同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接同一种类能量的示容变量与示强变量微分之比，是不能直接构成传感器的。构成传感器的。 v膜盒或膜片等弹性敏感元件在力膜盒或膜片等弹性敏感元件在力F( (或压力或压力) )作用下产生形变作用下产生形变l，刚度系数：刚度系数： v电场电势电场电势U作用于电容器导电极板产生电荷作用于电容器导电极板产生电荷Q，电容系数：，电容系数： v温度温度T产生产生热量热量Q，热容量：，热容量：iix

24、X/iiXx/Flk/UQC/TQc/v利用弹性元件受力产生变形，利用弹性元件受力产生变形，其应变与应变片电阻值的关系其应变与应变片电阻值的关系可制成可制成电阻应变式力电阻应变式力( (压力压力) )传传感器。感器。v上述这种变换称为二次效应，上述这种变换称为二次效应，二次效应没有逆效应。二次效应没有逆效应。3. 3. 热平衡二次效应热平衡二次效应二、传输现象二、传输现象v当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量就随时当系统中存在有强度量的差或梯度时，相应的广延量就随时间而变化，即广延量的流动，这种现象称为间而变化，即广延量的流动，这种现象称为传输现象传输现象。 v导体两端有电位差时，就

25、有电流流动；物体有温度差时，就导体两端有电位差时，就有电流流动；物体有温度差时，就有热流流动；电容两端有电位差时，就有电荷积累等。有热流流动；电容两端有电位差时，就有电荷积累等。v这种使相应广延量流动的强度量的差或梯度可视为一种力，这种使相应广延量流动的强度量的差或梯度可视为一种力，称之为称之为亲和力亲和力或或亲和势亲和势。塞贝克效应塞贝克效应v由两种导体或半导体闭合构成的热电偶，当其两结点有由两种导体或半导体闭合构成的热电偶，当其两结点有温度温度差差时，就有热流在两结点间流动，由于塞贝克效应（又称热时，就有热流在两结点间流动，由于塞贝克效应（又称热电效应），则在两结点间产生电动势，回路中就有

26、电效应），则在两结点间产生电动势，回路中就有电流电流。 接触接触电动势电动势温差温差电动势电动势)(ln)(TNNekTTEBAAB)(ln)(000TNNekTTEBAAB)(ln)(ln)()(000TNNTTNNTekTETEBABAABAB两种导体的两种导体的接触接触电动势电动势玻耳兹曼常玻耳兹曼常数数塞贝克效应塞贝克效应)()(1),(00TTNdTNekTTEATTAA)11(),(),(0000TdNNTdNNekTTETTETTBBATTABA塞贝克效应塞贝克效应单一导体的单一导体的温差温差电动势电动势塞贝克效应：总电动势塞贝克效应：总电动势)11)(ln)(ln(),(),(

27、)()(),(00000000TdNNTdNNTNNTTNNTeKTTETTETETETTETTBBATTABABABAABABAB)()()()(),(00TCTfTfTfTTEABv金属金属的塞贝克系数的塞贝克系数约为约为0 080v/k80v/k，温差电效应较小，可，温差电效应较小，可制成热电偶，用于测温等。制成热电偶，用于测温等。v两种不同两种不同半导体半导体联接回路两端保持不同温度，其联接回路两端保持不同温度，其约为约为5050100v/k100v/k，可制成温差发电器。，可制成温差发电器。塞贝克效应塞贝克效应珀耳帖效应珀耳帖效应v如果热电偶处于某一环境温度下，并在其回路中通入电流，

28、如果热电偶处于某一环境温度下，并在其回路中通入电流，由于珀耳帖效应（塞贝克效应的逆效应），则在两结点处分由于珀耳帖效应（塞贝克效应的逆效应），则在两结点处分别放出和吸收与电流成正比关系的热量，其通入的电流是由别放出和吸收与电流成正比关系的热量，其通入的电流是由电位差电位差产生的，输出的产生的，输出的热量热量是由温度差产生的。是由温度差产生的。IQP二、传输现象二、传输现象v由此可知，塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应由此可知，塞贝克效应是因温度差而产生电流，珀耳帖效应是由电位差而产生热流，他们是是由电位差而产生热流，他们是可逆可逆的。的。 v把这种不同种类的亲和力和流之间的效应称为把这

29、种不同种类的亲和力和流之间的效应称为一次效应一次效应，利，利用一次效应可以直接制成各种传感器。用一次效应可以直接制成各种传感器。v同一种类的亲和力和流之间的关系不能直接用于传感器中，同一种类的亲和力和流之间的关系不能直接用于传感器中，但是利用它们与其他状态量的关系，仍可制成但是利用它们与其他状态量的关系，仍可制成各种传感器，种传感器，这种现象称为传输现象的这种现象称为传输现象的二次效应二次效应。二、传输现象二、传输现象v电阻率电阻率是电场强度与其所引起的电流密度之比，是电导率的是电场强度与其所引起的电流密度之比，是电导率的倒数，若利用它与变形、压力、温度等的关系，则可构成电倒数，若利用它与变形

30、、压力、温度等的关系，则可构成电阻应变式、压敏电阻、热敏电阻等传感器。阻应变式、压敏电阻、热敏电阻等传感器。 v电介质的电介质的介电常数介电常数是其电容率与真空电容率之比，不能直接是其电容率与真空电容率之比，不能直接构成传感器，但若利用介电常数与温度、湿度、容量等的关构成传感器，但若利用介电常数与温度、湿度、容量等的关系，则可制成电容式温度传感器、电容式湿度传感器、电容系，则可制成电容式温度传感器、电容式湿度传感器、电容式液位传感器等。式液位传感器等。三、量子现象三、量子现象 v量子现象：量子现象：分子、原子、电子、光子、中子等微观客体遵循分子、原子、电子、光子、中子等微观客体遵循的物理学规律

31、是微观规律，它所具有的各种现象，如物质分的物理学规律是微观规律，它所具有的各种现象，如物质分子和原子的能量是离散跳跃的、核磁共振、隧道效应、核辐子和原子的能量是离散跳跃的、核磁共振、隧道效应、核辐射等。射等。v量子尺寸效应、光电效应量子尺寸效应、光电效应v核磁共振、核磁共振、约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应三、量子现象：三、量子现象：量子尺寸效应量子尺寸效应v量子尺寸效应量子尺寸效应：即指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能：即指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电

32、磁能的变化时，象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。有显著的不同。三、量子现象：三、量子现象：光电效应光电效应外光电效应外光电效应v在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子在光的照射下，物质内部的电子受到光子的作用，吸收光子能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应，被释放的能量而从表面释放出来的现象，称为外光电效应，被释放的电子称为光电子，所以又称光电子发射效应。电子称为光电子，所以又称光电子发射效应。v它是在它是在18871887年由德国人赫兹首先

33、发现的。年由德国人赫兹首先发现的。v基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 内光电效应内光电效应v在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发在光的照射下，物质吸收入射光子的能量，在物质内部激发载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导载流子，但这些载流子仍留在物质内部，从而增加物体的导电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应。电性或产生电动势、或产生光电流的现象，称为内光电效应。v内光电效又可分为内光电效又可分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类。两类。 三、量子现象：光电效应三、量子现

34、象：光电效应内光电效应：光电导效应内光电效应：光电导效应v某些物体（一般为半导体）受到光照时，其内部原子释放的某些物体（一般为半导体）受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。为光电导效应。v绝大多数的高电阻率半导体都具有光电导效应。基于光电导绝大多数的高电阻率半导体都具有光电导效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻等。效应的光电器件有光敏电阻等。 三、量子现象：光电效应三、量子现象：光电效应内光电效应：光生伏特效应内光电效应：光生伏特效应 v物体物体( (一般指半导体一般指半导体) )在

35、光的照射下能产生一定方向的电动势在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。的现象称为光生伏特效应。v基于该效应的光电器件有光基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件极管和半导体位置敏感器件等。等。三、量子现象：光电效应三、量子现象：光电效应内光电效应：光生伏特效应内光电效应：光生伏特效应 v侧向光生伏特效应侧向光生伏特效应: :半导体位置敏感器件半导体位置敏感器件三、量子现象：光电效应三、量子现象：光电效应三、量子现象：磁共振三、量子现象：磁共振v量子现象不仅发生于光电传感器材料，在磁电、热电等各种量子现象不仅发生于光电传

36、感器材料，在磁电、热电等各种传感器材料中也比比皆是。传感器材料中也比比皆是。v对原子、分子施加磁场影响就会加剧材料内部电子的热振，对原子、分子施加磁场影响就会加剧材料内部电子的热振，改变了材料原来的能量状态。所以如果使磁场以某一特定频改变了材料原来的能量状态。所以如果使磁场以某一特定频率变化，使之产生共振现象，这种现象称作率变化，使之产生共振现象，这种现象称作磁共振磁共振，是调整，是调整材料内部能量状态的一种重要手段。材料内部能量状态的一种重要手段。v由于共振频率取决于磁场强度，所以这种量子效应也能用于由于共振频率取决于磁场强度，所以这种量子效应也能用于磁场传感器。磁场传感器。v约瑟夫逊效应是

37、约瑟夫逊效应是超导体超导体的一种量子干涉效应。在两块超导体的一种量子干涉效应。在两块超导体之间放置厚度约为之间放置厚度约为10-9m10-9m的极薄的绝缘层，组成的极薄的绝缘层，组成约瑟夫结约瑟夫结或或称称超导隧道结超导隧道结。v由于绝缘层厚度远比超导电子相干长度（可达由于绝缘层厚度远比超导电子相干长度（可达10-6m10-6m）小得）小得多，所以绝缘层两侧超导电子间就会发生耦合，呈现出超导多，所以绝缘层两侧超导电子间就会发生耦合，呈现出超导电流的量子干涉现象，即电流的量子干涉现象，即约瑟夫逊效应约瑟夫逊效应。 三、量子现象：约瑟夫逊效应三、量子现象：约瑟夫逊效应v隧道效应：隧道效应：在两金属

38、片之间夹有极薄在两金属片之间夹有极薄( (约为约为10-9m)10-9m)的绝缘层的绝缘层( (如氧化膜如氧化膜) )，当两端施加直流电压时，回路就有电流产生，当两端施加直流电压时，回路就有电流产生，即有电流通过绝缘层。即有电流通过绝缘层。v由于电子除具有粒子性外还具有波动性，在绝缘层边缘，粒由于电子除具有粒子性外还具有波动性，在绝缘层边缘，粒子的波函数并不突然下降为零，而是进入绝缘层并按指数衰子的波函数并不突然下降为零，而是进入绝缘层并按指数衰减，因此通过极薄的绝缘层后仍有一定的幅度，也就是说，减，因此通过极薄的绝缘层后仍有一定的幅度，也就是说，有一定概率的电子穿透绝缘层有一定概率的电子穿透

39、绝缘层( (势垒势垒) )。 三、量子现象：约瑟夫逊效应三、量子现象：约瑟夫逊效应v直流直流约瑟夫逊效应：约瑟夫逊结在不外加电压或磁场时，有约瑟夫逊效应：约瑟夫逊结在不外加电压或磁场时，有直流电流通过绝缘层，即超导电流能无电阻地通过极薄的绝直流电流通过绝缘层，即超导电流能无电阻地通过极薄的绝缘层；当约瑟夫逊结外加平行于结平面的磁场时，超导电流缘层；当约瑟夫逊结外加平行于结平面的磁场时，超导电流的相位受到磁场明显的调制作用，因而超导电流和磁场的相位受到磁场明显的调制作用，因而超导电流和磁场B B的的关系出现类似夫琅和菲衍射图样。关系出现类似夫琅和菲衍射图样。三、量子现象：约瑟夫逊效应三、量子现象

40、：约瑟夫逊效应v交流交流约瑟夫逊效应：约瑟夫逊结能够吸收和发射电磁波的现约瑟夫逊效应：约瑟夫逊结能够吸收和发射电磁波的现象。象。1. 1. 加以直流电压辐射电磁波加以直流电压辐射电磁波v给约瑟夫逊结加以直流电压时，约瑟夫逊结会产生频率与所给约瑟夫逊结加以直流电压时，约瑟夫逊结会产生频率与所加电压加电压U U成正比的高频超导电流，并向外辐射电磁波，电磁成正比的高频超导电流，并向外辐射电磁波，电磁波频率为：波频率为：Uhe2三、量子现象：约瑟夫逊效应三、量子现象：约瑟夫逊效应2.2.加以直流和交流电压输出直流电流（压）加以直流和交流电压输出直流电流（压） v给约瑟夫逊结加以直流电压，同时施加一交流

41、射频电压或用一给约瑟夫逊结加以直流电压，同时施加一交流射频电压或用一定频率的电磁波作用于结上，则当由直流电压引起的高频电流定频率的电磁波作用于结上，则当由直流电压引起的高频电流频率与外加交流射频电压频率相等，或与外加电磁波频率相等，频率与外加交流射频电压频率相等，或与外加电磁波频率相等，或者是它们的整数倍时，将有直流成分的超导电流流过绝缘层，或者是它们的整数倍时，将有直流成分的超导电流流过绝缘层，输出直流电压：输出直流电压：nfehU2三、量子现象：约瑟夫逊效应三、量子现象：约瑟夫逊效应2.2.4 2.2.4 统计物理学法则统计物理学法则 v热平衡与传输现象等热力学规律是热现象的宏观理论，统计

42、热平衡与传输现象等热力学规律是热现象的宏观理论，统计物理学是从物质的微观结构出发，即从组成它们的原子、分物理学是从物质的微观结构出发，即从组成它们的原子、分子等微观粒子的运动及其相互作用出发，去研究宏观物体热子等微观粒子的运动及其相互作用出发，去研究宏观物体热性质的科学。性质的科学。v统计物理学认为统计物理学认为：所有宏观上可观测的物理量都是相应微观所有宏观上可观测的物理量都是相应微观量的统计平均值，许多看似杂乱无章的微观运动表现出统计量的统计平均值，许多看似杂乱无章的微观运动表现出统计规律性。规律性。2.2.4 2.2.4 统计物理学法则统计物理学法则v奈奎斯特定理奈奎斯特定理：由统计物理可

43、知，电子热运动的涨落，在电：由统计物理可知，电子热运动的涨落，在电阻阻R的两端产生热噪声的电位波动，电阻的两端产生热噪声的电位波动，电阻R两端的热噪声电两端的热噪声电压压Un的方均值为：的方均值为：v热噪声型热敏电阻：测温精度高（热噪声型热敏电阻：测温精度高（0.10.10.50.5），测量），测量15001500以下的温度，可在恶劣环境下使用；以下的温度，可在恶劣环境下使用；v输出电压极小，例如当输出电压极小，例如当T T300K300K，R R100100，f100kHz100kHz时，时，输出输出电压电压只有只有4 41010-7-7V V。fTkRUn 42UrUnSRr(Tr)R(T

44、x)U22.2.4 2.2.4 统计物理学法则统计物理学法则v由于热噪声的频带宽度不易正确测定，因此目前多采用由于热噪声的频带宽度不易正确测定，因此目前多采用与基与基准噪声电压相比较准噪声电压相比较的方法来测量温度。的方法来测量温度。RTRTrrx/fTkRUn 422.2.4 2.2.4 统计物理学法则统计物理学法则v近年来由于超导量子干涉器件的问世，使热噪声温度测量已近年来由于超导量子干涉器件的问世，使热噪声温度测量已成为可能。它是利用热噪声对约瑟夫逊效应的扰动测量温度。成为可能。它是利用热噪声对约瑟夫逊效应的扰动测量温度。v由于约瑟夫逊结辐射的频率与通过结的电压有关，因此当被由于约瑟夫逊

45、结辐射的频率与通过结的电压有关，因此当被测温度使结的正常电阻两端产生噪声电压时，此电压的涨落测温度使结的正常电阻两端产生噪声电压时，此电压的涨落将使结输出的微波频率变化，但其辐射带宽是有限的，因而将使结输出的微波频率变化，但其辐射带宽是有限的，因而可以很精确地测量出，而测量噪声电压的精度也可以很高。可以很精确地测量出，而测量噪声电压的精度也可以很高。fTkRUn 42Uhe22.3 2.3 传感器的基础效应传感器的基础效应物质效应与物性型传感器物质效应与物性型传感器 光电效应光电效应电光效应电光效应磁光效应磁光效应磁电效应磁电效应热电效应和热释电效应热电效应和热释电效应压电、压阻和磁致伸缩效应

46、压电、压阻和磁致伸缩效应约瑟夫逊效应与核磁共振约瑟夫逊效应与核磁共振光的多普勒效应和萨古纳克效应光的多普勒效应和萨古纳克效应声音的多普勒效应及声电、声光效应声音的多普勒效应及声电、声光效应与化学有关的效应与化学有关的效应纳米效应纳米效应2.3.3 2.3.3 电光效应电光效应 v物质的光学特性（如折射率）受外电场的影响而发生变化的物质的光学特性（如折射率）受外电场的影响而发生变化的现象统称为电光效应。现象统称为电光效应。v泡克耳斯（泡克耳斯（Pockels）效应）效应 v克尔效应克尔效应 v光弹效应光弹效应 v电致发光效应电致发光效应 v电致变色效应电致变色效应 一、泡克耳斯效应一、泡克耳斯效

47、应v18931893年德国物理学家泡克耳斯首先发现，一些晶体在纵向电年德国物理学家泡克耳斯首先发现，一些晶体在纵向电场（场（电场方向与光的传播方向一致电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射现象，称为电致双折射。性性质，产生附加的双折射现象，称为电致双折射。v泡克耳斯从实验证实压电晶体的两个主折射率主之差为：泡克耳斯从实验证实压电晶体的两个主折射率主之差为：v线性电光效应线性电光效应二、克尔效应二、克尔效应 v18751875年英国物理学家克尔发现，光照射具有各向同性的透明年英国物理学家克尔发现，光照射具有各向同性的透明物质，在与入射光垂直

48、的方向上加以高电压将发生双折射现物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象。象。v因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又称作称作平方电光效应平方电光效应。2KEnnnoe三、光弹效应三、光弹效应 v某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。这称作应力体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。这称作应力致双折射或光弹效应。致双折射或光弹效应。v光弹效应的双折射是暂时的，应力解除后即消失。光弹性效光弹效应的双折射是暂时

49、的，应力解除后即消失。光弹性效应可用于研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的情况。应可用于研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的情况。v利用光弹效应可制成压力、振动、声响传感器。利用光弹效应可制成压力、振动、声响传感器。 四、电致发光效应四、电致发光效应 v电致发光效应：某些固态晶体如高纯度锗、电致发光效应：某些固态晶体如高纯度锗、 硅和砷化镓等硅和砷化镓等化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象，以及某些固态晶体如磷化镓、磷化铟等无需外光）的现象，以及某些固态晶体如磷化镓、磷化铟等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发

50、光的现象。加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象。 v电致发光是将电能直接转换为光能的过程。基于电致发光效电致发光是将电能直接转换为光能的过程。基于电致发光效应的器件有发光二极管、半导体激光器等。应的器件有发光二极管、半导体激光器等。 五、电致变色效应五、电致变色效应 v这种在电流或电场的作用下这种在电流或电场的作用下, ,材料发生可逆变色的现象，称材料发生可逆变色的现象，称为电致变色效应。为电致变色效应。 v基于致变色效应的主要器件有信息显示器件、电致变色灵巧基于致变色效应的主要器件有信息显示器件、电致变色灵巧窗、无眩反光镜、电色储存器件等。窗、无眩反光镜、电色储存器件等。2.3.4 2.

51、3.4 磁光效应磁光效应 v置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，其光学特性（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。（如吸光特性、折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。 v法拉第效应法拉第效应 v磁光克尔效应磁光克尔效应 v科顿科顿- -穆顿效应穆顿效应 v塞曼效应塞曼效应 v光磁效应光磁效应 一、法拉第效应一、法拉第效应v当线偏振光在介质中传播时，若在当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向平行于光的传播方向上加上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与外磁场强一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度与外磁场强度

52、和光穿越介质的长度的乘积成正比，即：度和光穿越介质的长度的乘积成正比，即：v式中：式中：V V磁光效应常数或费尔德常数，与介质性质及光波磁光效应常数或费尔德常数，与介质性质及光波频率有关，可正可负；频率有关，可正可负；HeHe外磁场强度。外磁场强度。lVHeF一、法拉第效应一、法拉第效应v利用法拉第效应的弛豫时间不大于利用法拉第效应的弛豫时间不大于10-1010-10秒量级的特点，可秒量级的特点，可制成制成磁光效应磁强计磁光效应磁强计。磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、。磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场、交变强磁场；交变强磁场； v利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽利用它对温度不

53、敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场等。的温度范围，如等离子体中强磁场、低温超导磁场等。磁光调制器磁光调制器二、磁光克尔效应二、磁光克尔效应v平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面的偏转角度随磁场强的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面的偏转角度随磁场强度而变化，这种现象叫磁光克尔效应。度而变化，这种现象叫磁光克尔效应。v克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴磁畴。 v磁畴磁畴是指磁性材料内部的一个个是指磁性材料

54、内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。方向不同。二、磁光克尔效应二、磁光克尔效应v不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不不同的磁畴有不同的自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察

55、。三、科顿三、科顿- -穆顿效应穆顿效应 v科顿和穆顿于科顿和穆顿于19071907年发现光从处在横向磁场内的液体中通过年发现光从处在横向磁场内的液体中通过时，产生双折射现象，称为科顿时，产生双折射现象，称为科顿- -穆顿效应，或磁致双折射穆顿效应，或磁致双折射效应。实验证实，处在外磁场内的媒质的二主折射率之差正效应。实验证实，处在外磁场内的媒质的二主折射率之差正比于磁感应强度比于磁感应强度H H的的平方平方：v式中，式中，CC为科顿为科顿- -穆顿常数，它与光波波长穆顿常数，它与光波波长和温度有关，和温度有关，与磁场强度无关。与磁场强度无关。四、塞曼效应四、塞曼效应v原子在磁场中能级和光谱发

56、生分裂的现象。原子在磁场中能级和光谱发生分裂的现象。 v塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。在天体物理中，塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。在天体物理中，塞曼效应被用来测量天体磁场及星际磁场。塞曼效应被用来测量天体磁场及星际磁场。v因变化量极小，难用于传感器，但可用于激光稳频，制成双因变化量极小，难用于传感器，但可用于激光稳频，制成双频激光器。频激光器。双频激光干涉双频激光干涉 Laser B1 1/4 Wave-plate B2 M1 M2 M3 P1 P2 D2 D1 Mixer f2 f1 f1 f2 f1 f2 f2f v f1-f2 f1-(f2f) f AC Amplifie

57、r 2.3.9 2.3.9 光的光的多普勒多普勒效应和萨古纳克效应效应和萨古纳克效应v光的多普勒效应：当光源或观察者（光接收器）相对于介质光的多普勒效应：当光源或观察者（光接收器）相对于介质（或散射体、反射器）运动时，观察者所接收到的光波频率不（或散射体、反射器）运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光波源的频率。由于多普勒效应而引起的频率变化数值称同于光波源的频率。由于多普勒效应而引起的频率变化数值称为多普勒频移。为多普勒频移。v利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量等测量，例如光纤利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量等测量，例如光纤式血液流速测量，激光多普勒超低速式血液流速测量，激光多普

58、勒超低速(1cm/h)(1cm/h)、超音速测量等。、超音速测量等。 v同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象，与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象，称为萨古纳克效应。称为萨古纳克效应。 rcLrcLt2242cAcLrtcAtcL4CAtc00822.3.9 2.3.9 光的多普勒效应和光的多普勒效应和萨古纳克萨古纳克效应效应cmmL2121)4/(ttttdtALdt)4/( ALNLmcLLcLL/LA4cAtcL/4 2.3.9 2.3.9 光的多普勒效应和

59、光的多普勒效应和萨古纳克萨古纳克效应效应2.4 2.4 传感器的新型敏感材料传感器的新型敏感材料 2.4.1 2.4.1 敏感材料的工作机理敏感材料的工作机理 2.4.2 2.4.2 敏感材料的类型与特性敏感材料的类型与特性 2.4.3 2.4.3 新型敏感材料新型敏感材料v敏感元件是传感器的核心器件，它的作用是通过敏感材料的敏感元件是传感器的核心器件，它的作用是通过敏感材料的固有特性及相应的物理、化学、生物效应，将被测量转换为固有特性及相应的物理、化学、生物效应，将被测量转换为便于利用的量。便于利用的量。v传感器的敏感机理是自然规律中各种定律、法则和效应，而传感器的敏感机理是自然规律中各种定

60、律、法则和效应，而传感器的具体实现则是依靠一些能有效表现这些规律、现象传感器的具体实现则是依靠一些能有效表现这些规律、现象的各种功能材料以及它们的装置。的各种功能材料以及它们的装置。v传感器的进步更依赖于新材料、新装置、新工艺的不断推陈传感器的进步更依赖于新材料、新装置、新工艺的不断推陈出新。出新。2.4.1 2.4.1 敏感材料的工作机理敏感材料的工作机理2.4.2 2.4.2 敏感材料的类型与特性敏感材料的类型与特性v按按结晶状态结晶状态可分为：单晶、多晶、非晶和微晶等类。可分为：单晶、多晶、非晶和微晶等类。 v按按电子结构和化学键电子结构和化学键可分为：金属、陶瓷和聚合物三大类。可分为：